CN110456238B - 一种电晕放电离子源检测方法及系统 - Google Patents

一种电晕放电离子源检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电晕放电离子源电晕状态检测方法及系统，该方法包括：获取离子源放电时的放电声音数据；根据音频识别算法，将放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断电晕放电离子源的电晕状态。本发明实施例提供的电晕放电离子源电晕状态检测方法，通过声音收集设备获取离子源放电时的放电声音数据，并通过音频识别算法，将放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，从而判断电晕放电离子源的电晕状态。因此，采用该检测方法可以不用实际测量离子源处的高压，无需采用现有的电流测量装置，设计成本低，检测方法简单，并解决了现有技术通过电流测量装置检测离子源放电现象时，装置易损坏的技术问题。

Description

一种电晕放电离子源检测方法及系统
技术领域
本发明涉及离子迁移谱技术领域，具体涉及一种电晕放电离子源检测方法及系统。
背景技术
目前，离子迁移谱技术已经成为分析领域中痕量化学物质检测的重要方法之一。离子迁移谱技术无需真空环境，可直接在常压下工作，功率要求较低，检测速度快，因而很容易做成小型便携式的仪器，特别适用于现场实时检测以及在线实时分析。
现有离子迁移谱仪中应用最为广泛的离子源主要包括β射线的63Ni源等放射源。然而用放射源作为离子源时产生的离子浓度不够高，导致传统的离子迁移谱信号比较弱，线性范围小。因此，非放射性离子源开始应用在离子迁移谱仪中。其中，电晕放电(CoronaDischarge，CD)离子源是研究较多的一种非放射性离子源。电晕放电是一种可在大气环境下产生的气体放电现象，常发生在极不对称电场下。但是，在采用电晕放电离子源时，经常会因为空间电荷效应和其他系统原因导致电晕不起晕或是非正常电晕放电现象。现有电晕状态检测时通常采用电流测量装置与离子源连接测量的方法，但离子源处电压较高，且该电压为脉冲电压，电流测量装置在高压下易损坏，检测成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种电晕放电离子源检测方法及系统，以解决现有技术通过电流测量装置检测离子源放电现象时，装置易损坏的技术问题。
本发明提出的技术方案如下：
本发明实施例提供一种电晕放电离子源电晕状态检测方法，该检测方法包括：获取离子源放电时的放电声音数据；根据音频识别算法，将所述放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断所述电晕放电离子源的电晕状态。
可选地，获取离子源放电时的放电声音数据，包括：获取离子源放电时的放电声音数据和环境噪声数据；根据所述环境噪声数据，对所述放电声音数据进行降噪处理，得到离子源的放电声音数据。
可选地，根据音频识别算法，将所述放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断所述电晕放电离子源的电晕状态，包括：根据所述放电声音数据生成频谱图；根据所述频谱图确定所述频谱图中的峰值；根据所述频谱图中的峰值进行哈希运算，得到哈希声音数据；根据所述哈希声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断所述电晕放电离子源的电晕状态。
可选地，根据所述放电声音数据生成频谱图，包括：根据香农采样理论确定采样率；根据所述采样率对所述放电声音数据进行采样，得到采样数据；根据所述采样数据生成频谱图。
可选地，根据所述放电声音数据生成频谱图之后，根据所述频谱图确定所述频谱图中的峰值之前，所述方法还包括：对所述频谱图进行高通滤波。
可选地，根据所述频谱图确定所述频谱图中的峰值，包括：根据图像处理工具scipy对所述频谱图进行处理，确定所述频谱图中的峰值。
本发明实施例还提供一种电晕放电离子源电晕状态检测系统，该检测系统包括：第一声音传感器，用于收集被测电晕放电离子源的放电声音，得到放电声音数据；微处理器，连接所述第一声音传感器，用于根据音频识别算法，将所述放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断所述电晕放电离子源的电晕状态。
可选地，该电晕放电离子源电晕状态检测系统还包括：第二声音传感器，连接所述微处理器，用于收集环境噪声，得到环境噪声数据，并传输至所述微处理器；所述微处理器还用于根据所述环境噪声数据，对所述放电声音数据进行降噪处理，得到离子源的放电声音数据。
可选地，所述微处理器包括：频谱图生成模块，用于根据所述放电声音数据生成频谱图；峰值确定模块，用于根据所述频谱图确定所述频谱图中的峰值；哈希声音数据计算模块，用于根据所述频谱图中的峰值进行哈希运算，得到哈希声音数据；电晕状态判断模块，用于根据所述哈希声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断所述电晕放电离子源的电晕状态。
可选地，所述频谱图生成模块包括：采样率确定子模块，用于根据香农采样理论确定采样率；采样子模块，用于根据所述采样率对所述放电声音数据进行采样，得到采样数据；频谱图生成子模块，用于根据所述采样数据生成频谱图。
本发明提出的技术方案，具有如下效果：
本发明实施例提供的电晕放电离子源电晕状态检测方法，通过声音收集设备获取离子源放电时的放电声音数据，并通过音频识别算法，将放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，从而判断电晕放电离子源的电晕状态。因此，采用该检测方法可以不用实际测量离子源处的高压，无需采用现有的电流测量装置，设计成本低，检测方法简单，并解决了现有技术通过电流测量装置检测离子源放电现象时，装置易损坏的技术问题。
本发明实施例提供的电晕放电离子源电晕状态检测系统，微处理器通过第一声音传感器获取离子源放电时的放电声音数据，并通过音频识别算法，将放电声音数据与其中预先存入的声音数据进行对比，从而判断电晕放电离子源的电晕状态。因此，采用该检测系统对电晕状态进行检测时可以不用实际测量离子源处的高压，无需采用现有的电流测量装置，设计成本低，检测系统稳定，寿命较现有产品更长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的电晕放电离子源电晕状态检测方法的流程图；
图2是根据本发明另一实施例的电晕放电离子源电晕状态检测方法的流程图；
图3是根据本发明另一实施例的电晕放电离子源电晕状态检测方法的流程图；
图4是根据本发明实施例的电晕放电离子源电晕状态检测系统的结构框图。
图5是根据本发明另一实施例的电晕放电离子源电晕状态检测系统的结构框图；
图6是根据本发明另一实施例的电晕放电离子源电晕状态检测系统的结构框图；
图7是根据本发明实施例的电晕放电离子源电晕状态检测系统的实验验证曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
电晕放电(CoronaDischarge，CD)离子源是离子迁移谱仪中使用的一种非放射性离子源。电晕放电是一种可在大气环境下产生的气体放电现象，常发生在极不对称电场下。然而，电晕放电离子源经常会因为空间电荷效应和其他系统原因导致电晕不起晕，而根据离子源在离子迁移谱仪中的位置无法判断此现象。
因此，本发明实施例提供一种电晕放电离子源电晕状态检测方法，如图1所示，该检测方法包括如下步骤：
步骤S101：获取离子源放电时的放电声音数据；具体地，可以采用能够收集声音的设备如声音采集器、声音传感器等设备接收离子源放电时的放电声音数据，本发明中收集声音的设备不限于声音采集器、声音传感器等，也可以是其他收集声音的设备。
步骤S102：根据音频识别算法，将放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断电晕放电离子源的电晕状态。具体地，可以获取电晕放电离子源在正常放电和未起晕时的放电声音数据，并将这些放电声音数据预先存入音频库中，当获取到当前时刻的放电声音数据后，可以将获取的放电声音数据与音频库中预先存入的放电声音数据进行对比，判断该声音数据与音频库中的哪个声音数据相同，从而得到当前时刻电晕放电离子源的电晕状态。
其中，将获取的放电声音数据与音频库中预先存入的放电声音数据进行对比时，可以从音频库中提取一段特定的声音数据，用于快速识别获取的放电声音数据是否来自音频样本，或从音频库中搜索出带有相同声音数据的音频。
本发明实施例提供的电晕放电离子源电晕状态检测方法，通过声音收集设备获取离子源放电时的放电声音数据，并通过音频识别算法，将放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，从而判断电晕放电离子源的电晕状态。因此，采用该检测方法可以不用实际测量离子源处的高压，无需采用现有的电流测量装置，设计成本低，检测方法简单，并解决了现有技术通过电流测量装置检测离子源放电现象时，装置易损坏的技术问题。
作为本发明实施例的一种可选的实施方式，如图2所示，步骤S101获取离子源放电时的放电声音数据，包括如下步骤：
步骤S201：获取离子源放电时的放电声音数据和环境噪声数据；放电声音数据和环境噪声数据都可以采用能够收集声音的设备如声音采集器、声音传感器等设备接收。
步骤S202：根据环境噪声数据，对放电声音数据进行降噪处理，得到离子源的放电声音数据。具体地，对放电声音数据进行降噪处理时，可以采用现有的音频降噪算法如自适应滤波器、谱减法、维纳滤波法等，也可以采用现有的音频降噪工具如audition等，本发明对此不做限定。
作为本发明实施例的一种可选的实施方式，如图3所示，步骤S102根据音频识别算法，将放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断电晕放电离子源的电晕状态，包括如下步骤：
步骤S301：根据放电声音数据生成频谱图；具体地，可以首先根据香农采样理论确定采样率，而香农采样理论定义了为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍，因此，可以根据放电声音数据设置采样率，并根据采样率对放电声音数据进行采样，得到采样数据，之后可以根据快速傅立叶变换算法，将该放电声音数据由时域转换到频域，从而得到频谱图。
步骤S302：根据频谱图确定频谱图中的峰值；具体地，在确定峰值之前，可以采用高通过滤器对频谱图进行高通滤波处理，然后可以采用图像处理工具scipy在频谱图中寻找峰值，其中，在寻找峰值时，可以在频谱图上查找振幅值比其他采样节点大的值。
步骤S303：根据频谱图中的峰值进行哈希运算，得到哈希声音数据；具体地，在确定频谱图中的峰值之后，可以将得到的峰值输入到哈希函数中进行哈希运算，从而得到固定长度的哈希声音数据。
步骤S304：根据哈希声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断电晕放电离子源的电晕状态。具体地，音频库中的声音数据可以是固定长度的声音数据，该固定长度的声音数据可以是将电晕放电离子源在正常放电和未起晕时获取的声音数据转换为频谱图，通过提取频谱图中的峰值输入哈希函数计算得到的固定长度的声音数据。将哈希声音数据与音频库中的声音数据进行对比时，可以从音频库中提取一段特定的数字摘要，用于快速识别得到的固定长度的哈希声音数据是否来自音频样本，或从音频库中搜索出带有相同数字摘要的音频。
本发明实施例还提供一种电晕放电离子源电晕状态检测系统，如图4所示，该检测系统包括：第一声音传感器1，用于收集被测电晕放电离子源2的放电声音，得到放电声音数据；微处理器3，连接第一声音传感器1，用于根据音频识别算法，将放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断电晕放电离子源的电晕状态。具体地，可以获取电晕放电离子源在正常放电和未起晕时的放电声音数据，并将这些放电声音数据预先存入微处理器3的音频库中，微处理器3获取到放电声音数据后，可以将获取的放电声音数据与其中预先存入的放电声音数据进行对比，判断该声音数据与正常放电或未起晕的哪个声音数据相同，从而得到当前时刻电晕放电离子源的电晕状态。
本发明实施例提供的电晕放电离子源电晕状态检测系统，微处理器通过第一声音传感器获取离子源放电时的放电声音数据，并通过音频识别算法，将放电声音数据与其中预先存入的声音数据进行对比，从而判断电晕放电离子源的电晕状态。因此，采用该检测系统对电晕状态进行检测时可以不用实际测量离子源处的高压，无需采用现有的电流测量装置，设计成本低，检测系统稳定，寿命较现有产品更长。
作为本发明实施例的一种可选的实施方式，该电晕放电离子源电晕状态检测系统还包括：第二声音传感器4，连接微处理器3，用于收集环境噪声，得到环境噪声数据，并传输至微处理器3；微处理器3还用于根据环境噪声数据，对放电声音数据进行降噪处理，得到离子源的放电声音数据。具体地，微处理器3对放电声音数据进行降噪处理时，可以采用现有的音频降噪算法如自适应滤波器、谱减法、维纳滤波法等，也可以采用现有的音频降噪工具如audition等，本发明对此不做限定。
作为本发明实施例的一种可选的实施方式，如图5所示，微处理器3包括：
频谱图生成模块10，用于根据放电声音数据生成频谱图；如图6所示，该频谱图生成模块10还包括：采样率确定子模块11，用于根据香农采样理论确定采样率；采样子模块12，用于根据所述采样率对所述放电声音数据进行采样，得到采样数据；频谱图生成子模块13，用于根据所述采样数据生成频谱图。详细内容参见上述方法实施例中步骤S301的相关描述。
峰值确定模块20，用于根据频谱图确定频谱图中的峰值；详细内容参见上述方法实施例中步骤S302的相关描述。
哈希声音数据计算模块30，用于根据频谱图中的峰值进行哈希运算，得到哈希声音数据；详细内容参见上述方法实施例中步骤S303的相关描述。
电晕状态判断模块40，用于根据哈希声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断电晕放电离子源的电晕状态。详细内容参见上述方法实施例中步骤S304的相关描述。具体地，可以对本发明实施例提供的电晕放电离子源电晕状态检测方法及系统的准确性进行验证，如图7所示，可以看出，该电晕放电离子源电晕状态检测方法及系统只是在刚开始检测时正确率较低，随着时间的推移，检测的正确率逐渐稳定在将近1，说明本发明实施例提供的电晕放电离子源电晕状态检测方法及系统在判断电晕状态时准确性较高。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种电晕放电离子源电晕状态检测方法，其特征在于，包括：
获取离子源放电时的放电声音数据；
根据音频识别算法，将所述放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断所述电晕放电离子源的电晕状态；所述音频库中的声音数据是固定长度的声音数据，该固定长度的声音数据是将电晕放电离子源在正常放电和未起晕时获取的声音数据转换为频谱图，通过提取频谱图中的峰值输入哈希函数计算得到的固定长度的声音数据；
其中，根据音频识别算法，将所述放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断所述电晕放电离子源的电晕状态，包括：
根据所述放电声音数据生成频谱图；
根据所述频谱图确定所述频谱图中的峰值；
根据所述频谱图中的峰值进行哈希运算，得到哈希声音数据；
根据所述哈希声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断所述电晕放电离子源的电晕状态。
2.根据权利要求1所述的电晕放电离子源电晕状态检测方法，其特征在于，获取离子源放电时的放电声音数据，包括：
获取离子源放电时的放电声音数据和环境噪声数据；
根据所述环境噪声数据，对所述放电声音数据进行降噪处理，得到离子源的放电声音数据。
3.根据权利要求1所述的电晕放电离子源电晕状态检测方法，其特征在于，根据所述放电声音数据生成频谱图，包括：
根据香农采样理论确定采样率；
根据所述采样率对所述放电声音数据进行采样，得到采样数据；
根据所述采样数据生成频谱图。
4.根据权利要求1所述的电晕放电离子源电晕状态检测方法，其特征在于，根据所述放电声音数据生成频谱图之后，根据所述频谱图确定所述频谱图中的峰值之前，所述方法还包括：
对所述频谱图进行高通滤波。
5.根据权利要求1所述的电晕放电离子源电晕状态检测方法，其特征在于，根据所述频谱图确定所述频谱图中的峰值，包括：
根据图像处理工具scipy对所述频谱图进行处理，确定所述频谱图中的峰值。
6.一种电晕放电离子源电晕状态检测系统，其特征在于，包括：
第一声音传感器，用于收集被测电晕放电离子源的放电声音，得到放电声音数据；
微处理器，连接所述第一声音传感器，用于根据音频识别算法，将所述放电声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断所述电晕放电离子源的电晕状态；所述音频库中的声音数据是固定长度的声音数据，该固定长度的声音数据是将电晕放电离子源在正常放电和未起晕时获取的声音数据转换为频谱图，通过提取频谱图中的峰值输入哈希函数计算得到的固定长度的声音数据；
所述微处理器包括：
频谱图生成模块，用于根据所述放电声音数据生成频谱图；
峰值确定模块，用于根据所述频谱图确定所述频谱图中的峰值；
哈希声音数据计算模块，用于根据所述频谱图中的峰值进行哈希运算，得到哈希声音数据；
电晕状态判断模块，用于根据所述哈希声音数据与音频库中的声音数据进行对比，判断所述电晕放电离子源的电晕状态。
7.根据权利要求6所述的电晕放电离子源电晕状态检测系统，其特征在于，还包括：
第二声音传感器，连接所述微处理器，用于收集环境噪声，得到环境噪声数据，并传输至所述微处理器；
所述微处理器还用于根据所述环境噪声数据，对所述放电声音数据进行降噪处理，得到离子源的放电声音数据。
8.根据权利要求6所述的电晕放电离子源电晕状态检测系统，其特征在于，所述频谱图生成模块包括：
采样率确定子模块，用于根据香农采样理论确定采样率；
采样子模块，用于根据所述采样率对所述放电声音数据进行采样，得到采样数据；
频谱图生成子模块，用于根据所述采样数据生成频谱图。
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